Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Способы и эффекты термической обработки полимеров



 

Целенаправленная термическая обработка полимерных материалов является одной из важных стадий технологических процессов формования изделий из них. Ее применяют для повышения плотности, твердости, ударной вязкости, прочности, износостойкости и стабильности геометрических размеров изделий и для снятия остаточных (внутренних) напряжений, возникающих при изготовлении любой детали. Эффекты термообработки проявляются также как следствия всего цикла температурных режимов переработки полимеров.

Целенаправленная термообработкаполимеров в самом общем виде представляет собой их нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение с целью желаемого изменения свойств. Основными факторами воздействия при термообработке служат температура и время, поэтому любой вид термообработки можно представить в координатах: температура Т- время τ (Рис.1).

Рис. 1. Диаграммы различных режимов термообработки полимеров

 

Режим термообработки характеризуется максимальной температурой нагрева Тмакс.; временем выдержки t материала при этой температуре; скоростью нагрева Vн и скоростью охлаждения Vо материала. Режим термообработки может быть сложным, состоящим из двух или нескольких нагревов, прерывистого и ступенчатого нагрева (охлаждения). Термообработка может быть комбинированной.

Для полимеров так же, как и для металлов применяют четыре вида целенаправленной термообработки: закалка, отжиг, нормализация и отпуск.

3 а к а л к а - нагрев полимера до заданной температуры с последующим быстрым охлаждением. Целенаправленную закалку аморфно-кристаллических полимеров I-го или II-го класса применяют в тех случаях, когда требуется значительно понизить сте­пень кристалличности или получить полностью аморф­ную структуру с минимальной плотностью. Температура нагрева для закалки полимеров I-го класса составляет на 20-30 градусов выше их температуры стеклования, а для закалки полимеров II-го класса - до 80-90 % oт их равновесной темпера­туры плавления.

О т ж и г - нагрев полимера до заданной температуры с последующим медленным охлаждением. Для аморфно-кристаллических полимеров I-го или II-го класса целенаправленный отжиг проводят для достижения предельной степени кристалличности с повышением плотности при нагревании до 75-90 % от температуры плавления. Целенаправленный отжиг некристаллизующихся полимеров I-го класса проводят для стабилизации стеклообразного состояния с нагреванием до температуры на 10-20 градусов выше их температуры стеклования. Целенаправленный отжиг может производиться из горячего состояния, например, после извлечения из горячей прессформы деталь помещается в горячую среду и охлаждается медленно вместе со сре­дой.



Н о р м а л и з а ц и я - термическая обработка, которая состоит в нагреве полимера до заданной температуры с последующим медленным охлаждением для снятия остаточных напряжений, образовавшихся в процессе изготовления деталей. На структуру и физико-механические свойства полимеров она влияет незначительно. Так обычно называют отжиг аморфных и аморфно-кристаллических полимеров I-го класса, эксплуатирующихся при температуре ниже температуры стеклования, с нагреванием до температуры на 20–30 °С выше температуры стеклования.

О т п у с к - процесс, включающий нагрев полимерных деталей в инертной среде до температуры ниже критической точки данного полимера с последующим медленным охлаждением.

Очевидно, что с точки зрения физических превращений полимеров целенаправленные процессы отжига, нормализации и отпуска соответствуют одному и тому же типу термообработки, и эти названия, взятые из технологии термической обработки металлов, относятся к различных типам полимеров и различным температурно-временным режимам. Ниже физические эффекты, проявляющиеся при термообработке полимеров, рассматриваются только для двух принципиально различных режимов – отжига и закалки.

При отжиге (длительной выдержке при заданной температуре или медленном охлаждении от этой температуры до комнатной), вне зависимости от типа полимера и режима термообработки (целенаправленного, как отдельной стадии технологического процесса, или при изменении температуры на любой стадии этого процесса), формируется предельно равновесная структура. В некристаллизующихся полимерах I-го класса при отжиге (нормализации или отпуске) формируется стабильная, максимально плотная, предельно микрогетерогенная, структура с минимальным флуктуационным свободным объемом, резким уменьшением скорости релаксационных процессов и соответствующим изменением свойств. В кристаллизующихся полимерах I-го и II-го классов при отжиге формируется аморфно кристаллическая структура с предельной степенью кристалличности и максимальными размерами ламелей и сферолитов, а также с максимально плотной, предельно микрогетерогенной структурой аморфных областей.



При закалке (быстром охлаждении полимеров I-го класса от температуры на 20-30 градусов выше их температуры стеклования, а полимеров II-го класса – от температуры, составляющей 80-90% oт их равновесной темпера­туры плавления, до комнатной температуры)формируется предельно неравновесная и, соответственно, нестабильная структура. В некристаллизующихся полимерах I-го класса формируется минимально плотная аморфная структура с максимальным флуктуационным свободным объемом и достаточно высокой скоростью релаксационных процессов. В кристаллизующихся полимерах I-го и II-го классов формируется структура с минимальной степенью кристалличности и минимальными размерами ламелей и сферолитов, а также с минимально плотной структурой аморфных областей. Все эти эффекты резко зависят от скорости охлаждения.

Помимо указанных структурных превращений полимеров, в первую очередь, полимеров I-го класса, эксплуатирующихся в стеклообразном состоянии, при закалке в них возникают остаточные (термические усадочные) напряжения, обусловленные неравномерным прохождением стеклования полимеров от внешних слоев к внутренним при охлаждении расплава. При этом в наружных слоях возникают сжимающие напряжения, а во внутренних – растягивающие, что в свободном (незаневоленном) состоянии приводит к изменению формы и размеров изделия, т.е. к короблению при несбалансированном или асимметричном охлаждении (Рис.2-4).

(а) (б) (в)

Рис.2. Несбалансированное охлаждение (различие в скоростях охлаждения) расплава на начальной стадии (а) (Low Cooling Rate – низкая скорость охлаждения; High Cooling Rate – высокая скорость охлаждения; Heat - тепло; Early Cooling Stage Uneven Cooling – начальная стадия охлаждения неравномерное охлаждение;Molten Polymer – расплав полимера; Cooling Channel – охлaждающий канал формы) приводит к неравномерному распределению усадочных напряжений растяжения (tensile +)/сжатия (compressive -) (б) с возникновение крутящего момента и короблению изделия (Warped Part) (с).

(а) (б)

Рис.3. Симметричное распределение термических усадочных напряжений (а) не вызывает, а асимметричное (б) вызывает коробление изделия: наверху: In-Cavity Residual-Stress Destribution – распределение термических усадочных напряжений в полости формы; внизу: Process-Induced Residual-Stress after Ejection - распределение термических усадочных напряжений после извлечения из полости формы.

(а) (б) (в)

Рис.4. Заневоливание детали не вызывает ее коробления под действием термических усадочных напряжений: (а) Free contraction – свободная усадка; Early Cooling Stage – начальная стадия охлаждения; Frozen Layers – замороженные слои; Heat - тепло; (б) Constrained Contraction – заневоленная усадка; Later Cooling Stage – более поздняя стадия охлаждения; (в)Thermal-Induced Residual Stresses - термические усадочные напряжения ; Post-Molding Stage – стадия после формования.

Поскольку возникновение и распределение термических усадочных напряжений в решающей степени определяются не только температурно-временным режимом термообработки, но и геометрией (формой и размерами детали) (Рис.5), эти эффекты закалки обычно рассматриваются в технологии формования изделий.

Рис.5. Коробление детали с различной толщиной стенок и различной скоростью охлаждения вследствие усадочных напряжений (High Shrinkage – большая усадка; High Cooling Rate Low Crystallization Level – высокая скорость охлаждения низкая степень кристалличности; Low Cooling Rate High Crystallization Level – низкая скорость охлаждения высокая степень кристалличности; Warped Part – изделие с короблением).

2. Способы и эффекты ориентационной вытяжки полимеров

В случае аморфно-кристаллических полимеров группы II с высокоэластическим состоянием аморфных областей и наличием в этих областях интенсивного сегментального движения проявление вязкоупругих и пластических деформаций существенно облегчается и сопровождается ориентационными эффектами и структурными превращениями взаимосвязанных кристаллических и аморфных областей: исходная ламеллярно-сферолитная структура (Рис.4а) необратимо превращается фибриллярную (Рис.4б).

(а) (б) (в) (г)

Рис.4. Схема ламеллярно-сферолитной структуры аморфно-кристаллическх полимеров (а) и ее превращения в ламеллярно-фибриллярную при растяжении (б-г).

При этом на кривых «нагрузка-деформация» (Рис.5) после начала отклонения от линейности (точка А на Рис.5а) можно выделить 4 участка (стадии деформированиря):

(а) (б)

Рис. 5. Схематическое изображение основных стадий деформирования термопластичных полимеров группы II при растяжении

· АВ: соответствует предельной вытяжке проходных цепей в аморфных областях (см. рис.4б) вплоть до достижения максимальной нагрузки в точке В, соответствующей пределу текучести;

· ВС: наблюдается уменьшение нагрузки с ростом деформации вследствие сужения поперечного сечения образца (начала образования «шейки») со смещением блоков пластинчатых кристаллитов (ламелей) в направлении действующей силы и разделением кристаллитов на отдельные сегменты (см. рис.4в и.5б);

· СD: происходит удлинение образца практически без увеличения или с небольшим ростом нагрузки в результате формирования «шейки» по всей рабочей части образца за счет соседних, мало деформированных участков вследствие ориентационной вытяжки сегментов кристаллитов и полимерных цепей аморфных областей в направлении действующей силы (см. рис.4г и 5б);

· DE: наблюдается упругое деформирование ориентированного полимера с резким возрастанием нагрузки (проявлением эффекта деформационного упрочнения) образца вплоть до хрупкого или псевдохрупкого разрушения.

 

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2018 год. Все права принадлежат их авторам!